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汽车操纵稳定性和平顺性的仿真研究

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汽车操纵稳定性和平顺性的仿真研究

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第一章整车操纵稳定性试验仿真分析

本章节，在前悬架优化的基础上建立整车模型。

整车进行转向回正试验、转向轻便性试验、稳态回转试验，并根据国标计分评价。

1.1转向回正试验仿真分析

转向回正试验是研究汽车瞬态响应特性的一种重要试验方法，尤其是研究汽车能否恢复直线行驶能力的一种重要试验方法，汽车的转向回正表达了汽车的自由控制运动特性，其实质是一种力阶跃输入试验。

国标GB/T6323.4-94对试验做出了相关规定。

低速回正试验在半径为15m圆周上侧向加速度达到4m/s^2，，然后然放松转向盘，记录汽车的状态。

由于该重货车最高车速为90km/h，按照国标规定不需要进行高速转向回正试验。

对于侧向加速度达不到4士0.2m/s^2的汽车，按试验汽车所能达到的最高侧向加速度进行试验。

试验按向左与向右两个方向进行，每个方向三次[1].

1.1.1仿真曲线:

仿真中设定圆弧半径为15m，要达到4士0.2m/s的侧向加速度车速必须大于7.746m/s^2。

左转低速转向回正试验具体仿真结果如下（右转仿真结果略）:

1.1.2仿真结论:

对于虚拟样车系统，回正特性的主要参数根据国标GB/T6323.4-94规定的

转向回正试验要求计算，结果见表6-1。

1.2转向瞬态响应试验（转向盘转角阶跃输入）仿真分析

瞬态转向特性是指汽车在受到外界扰动下，达到稳态状态前表现出来的特性，瞬态转向特性是汽车最重要的性能之一，是评价汽车高速行驶安全性的一个重要指标。

1.2.1试验方法:

具体做法参照国标GB/T6323.2-1994。

试验车速按被测汽车最高车速的70%并四舍五入为10的整数倍确定。

该重型货车最高车速为90KM/h，所以试验车速取6Okm/h。

试验中转向盘转角的预选位置（输入角），按稳态侧向加速度值1-3m/s^2确定，从侧向加速度为lm/s^2做起，每间隔0.5m/m^2进行一次试验。

汽车以试验车速直线行驶，经过一段时间，以尽快的速度（起跃时间不大于0.2s或起跃速度不低于200 /s）转动转向盘，使其达到预先选好的位置并固定数秒钟（待所测变量过渡到新稳态值），停止记录。

记录过程中保持车速不变[2]。

1.2.2试验曲线:

以下为向左转侧向加速度为2m/s^2时的转向盘转角时间历程（如图6-28）、横摆角速度响应（如图6-29）、侧向加速度响应（图6-30）、车身侧倾角响应（图6-31）、汽车质心侧偏角响应（图6-32）等曲线。

1.3转向瞬态响应试验（转向盘转角脉冲输入）仿真分析

研究汽车的瞬态转向特性除了上述的转向盘转角阶跃输入试验外还有转向盘转角脉冲输入试验。

考察转向盘转角脉冲输入的幅频及相频特性可以很好的了解该车的瞬态特性。

1.3.1具体试验方法如下:

试验车速按试验汽车最高车速70%并四舍五入为10的整数倍。

该车取60km/h。

汽车以试验车速直线行驶，使其横摆角速度为0士0.5（ ）/s。

作一标一记，记下转向盘中间位置（直线行驶位置）。

然后给转向盘一个三角脉冲转角输入，并迅速转回原处，直至汽车恢复到直线行驶位置。

转向盘转角输入脉宽为0.3-0.5s，其最大转角应使本试验过渡过程中最大侧向加速度为4m/m^2[3]。

1.3.2试验曲线:

记录转向盘转角随时间变化曲线（见图6-43）、汽车侧向加速度响应曲线见（图6-44）及汽车横摆角速度响应曲线（见图6-45）。

1.4稳态回转试验仿真分析

稳态回转特性是表征汽车操纵稳定性的一个重要的时域响应。

汽车的稳态转向特性分为三种类型:

不足转向、中性转向和过多转向。

操纵稳定性良好的汽车应该具有适度的不足转向特性。

过多转向汽车在达到临界车速时会失去稳定性，有时很小的前轮转角便会产生极大的横摆角速度，这意味着汽车的转向半径极小，汽车会发生激转而侧滑或者翻车。

汽车也不应具有中性转向特性，因为中性转向汽车在使用条件变动时，有可能会变成过多转向特性。

稳态回转试验就是测试汽车稳态转向特性的重要试验[4]。

1.4.1试验方法:

试验是在满载工况下进行的，按照国标GB/T6323.6-94采用固定转向盘转角连续加速的方法进行稳态回转试验。

试验中首先让汽车以最低稳定车速沿着半径为20米的圆周行驶，并固定方向盘不动，停车并开始记录，记下各变量的零线，然后汽车起步，缓缓而均匀地加速（纵向加速度不超过0.25m/s^2），直至汽车达到最大侧向加速度6.5m/s^2。

分别进行左转、右转两组试验[5]。

第二章整车平顺性试验仿真分析

根据汽车行驶平顺性试验的评价分析标准，引起汽车振动的路面可以分为两种，一种是接近平稳随机的不同等级路面，其不平整主要是由于在施工和使用过程中的一些随机因素形成的，不平整状态比较均匀，例如一般的沥青路面、沙石路面。

这些路面的特性可以用统计特性来描述，它的频率成分一般是很丰富的，是一种宽带随机过程。

汽车平顺性随机输入行驶试验就是在这种路面上进行的。

另一种路面是冲击型不平整路面或称为典型路面。

在这种路面上往往出现一个或几个比较大的凸块或凹坑，这种路面不能用统计特性来描述，只能用路面的几何尺寸来描述。

汽车平顺性脉冲输入行驶试验就是模拟这种工况的。

根据国标GB/T4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》，建立B级路面，分别进行50km/h、6Okm/h、70km/h三种速度下的平顺性仿真。

同时,根据国标GB59OZ-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》建立典型路面并进行仿真。

2.1脉冲输入典型路面平顺性仿真试验

典型路面平顺性仿真以三角形凸块作为脉冲输入，三角形凸块的大小按GB59OZ-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》定义，其底边长400mm，高12Omm。

汽车载荷均匀分布，在满载条件下以10-60km/h（速度曲线见图7-l）的速度通过三角形凸块。

在驾驶员座椅上、车厢底板中心处以及距车厢边板、车厢后板各300mm处的货厢底板上布置三个加速度传感器，得到相应位置的最大垂直加速度。

图7-2为该车10-60km/h通过凸块的驾驶员座椅上加速度曲线图，图7-3为车速40km/h下驾驶员座椅上、车厢底板中心处以及距车厢边板、车厢后板各300mm处的货厢底板上三个加速度传感器的垂直加速度曲线[6]。

2.2随机输入路面平顺性仿真试验

根据国标GB/T4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》中有关路面等级的规定，建立B级路面。

分别进行50km/h、60km/h、7Okm/h三种速度下的平顺性仿真。

最后根据GB/T4970-1996对该车的平顺性进行了评价。

加速度测量点分布在驾驶员座椅上，车厢底板中心及距车厢边板、车厢后板各300mm的车厢底板上。

根据汽车设计参数调整模型，使达到设计满载状态，包括前后轴负荷分配、车身质心位置[7]。

第三章发动机转矩管理对车辆操纵稳定性的影响

3.1ESP系统的工作原理

车辆转向行驶时,由于轮胎横向力产生的横摆力矩使车身横摆角速度发生改变,同时也影响车身的侧偏角[8]。

横摆力矩的大小依赖于车身的侧偏角,随着侧偏角的增加,横摆力矩的增益会减小,当车身侧偏角较大时,车轮转向角的改变难以影响横摆力矩的大小。

这样,在轮胎与路面的极限附着下,车辆就容易失去行驶稳定性。

ESP的主要功能是控制车身的侧偏角和横摆角速度在允许的限值内,最大限度地利用轮胎与路面间的附着潜能[9-10]。

ESP总体控制如图1.1所示。

其上层控制是根据方向盘转角传感器以及轮速传感器等测量信号计算出汽车的名义行驶路径,即:

名义质心侧偏角和横摆角速度。

同时,根据方向盘转角传感器、加速度传感器、横摆角速度传感器和轮速传感器的测量信号,计算得到车辆的实际质心侧偏角和横摆角速度。

ESP控制器不断地比较质心侧偏角和横摆角速度实际值与名义值的偏差,根据偏差计算出所需要的车身控制力矩并向ESP控制器发出控制指令，并通过ESP执行器作用于车辆系统[11-14]。

如下图所示：

3.1.1ESP的应用

ESP主要在极限工况即高速、转弯、低附着情况下发挥作用。

防止转向过度的后轮侧滑和转向不足的前轮侧滑，汽车左转弯，汽车所受横摆力矩方向为逆时针方向，设定逆时针方向为正[15]。

假设汽车以0.2g的侧向加速度转弯，由图1.2知，汽车外前轮和内后轮是影响汽车横摆力矩效率最高的两个车轮。

对外前轮②进行制动使汽车产生负的横摆力矩；而对内后轮④进行制动时汽车产生正的横摆力矩；而对于外后轮③、内前轮①制动虽然也能够产生相应的横摆力矩，但是所得到横摆力矩的值比较小。

因此，当汽车转弯时表现出不足转向的趋势，通过对内后轮④进行相应的制动以使汽车得到正的补充横摆力矩，减小汽车的不足转向趋势；当汽车转弯时表现出多转向的趋势，通过对外前轮②进行相应的制动可以使汽车得到负的补充横摆力矩减小汽车的过多转向的趋势。

而内前轮①、外后轮③作为辅助制动车轮[16-17]。

3.1.2.ESP在突发制动时的作用

车辆直行,侧向突然出现障碍,一般在突发情况下驾驶员会紧急制动,车辆将有发生不足转向的趋势,此时,ESP将对内后轮制动,车辆沿着转向轮的输入方向行驶；随之,车辆将有可能发生过度转向的趋势,此时ESP对外前轮制动,车辆重新回到稳定状态。

控制车轮的选取规则可由表1.1来表示：

假定汽车左转时方向盘转角为正；右转时方向盘转角为负，而γ>0时汽车为过多转向，γ<0时汽车为不足转向，γ=0时汽车为中性转向[18]。

3.2ESP的基本结构

ESP系统（如图1.4）由传感器、ECU和执行器三大部分组成，即轮速传感器、横摆角速度传感器、方向盘转角传感器、制动压力传感器、加速度传感器和油门开度传感器，以及液压调节器和电子控制单元等[19]。

其中电子控制单元（ECU）是汽车稳定性控制系统的核心，用于处理来自各传感器的信息，驱动各执行器，同时它还是控制逻辑的载体，是整个系统的大脑。

电子控制单元一般包括两个微处理器，一个与液压控制单元连接，另一个和液压控制单元分离，两个处理器通过内部总线相互交换信息[23]。

除了微处理器外，ECU包括电源管理模块、传感器信号输入模块、液压调节器驱动模块、各指示灯接口以及CAN总线通讯接口[20]。

3.2.1发动机转矩管理在ESP中的应用

在ESP控制中，有的情况下仅仅靠制动控制不足以使汽车保证良好的操纵稳定性此时就需要通过控制发动机从而改变驱动力矩。

运用发动机进行控制，在车辆严重不足转向情况下高速行驶时，仅用制动力控制已经超出其极限，此时必须用过降低发动机输出力矩来使车轮纵向力减小，侧向力增加。

该方法对前轮驱动汽车效果更好。

在严重过度转向的情况下高速行驶时，也因车速过快，仅仅用制动力不足控制，因此必须通过降低发动机输出力矩来使车辆减速。

该方式较适合于后轮驱动车辆。

另外驾驶员在高速转弯行驶过程中，突然松开油门踏板，发动机制动产生一个拖滞力从而使车辆前轴的载荷加大，导致前轴车轮形成滑移状态造成过多转向使车辆失稳。

如果仅仅依靠制动来控制效果并不理想，需要发动机增加转矩来配合ESP中的制动控制可以使车辆保持在稳定状态。

3.2.2ESP工作时发动机的控制

发动机输出扭矩调节：

发动机输出扭矩调节主要有三种方式:

点火参数调节、燃油供给调节和节、气门开度或油门位置调节[21-22]。

1）、调节点火参数多是指减小点火提前角，如果此时驱动轮滑转仍然持续增长，则可暂时中断点火（但此时也要暂停供油，以避免排放超标）。

点火参数调节是一种响应迅速的控制方式，对于保证车辆方向性较为有效，但舒适性较差，所以对于性能要求不高的车辆可以单独使用该控制方式。

2）、燃油供给调节是指减少供油或暂停供油，即当发现驱动轮发生过度滑转时，电子调节装置将自动减少供油量，甚至中断供油，以减小发动机输出扭矩，燃油供给调节是现代电控内燃机中比较易于实现的一种驱动防滑控制方式，对车辆的方向性控制较好，但易于引起发动机爆震，损害发动机和传动系的寿命。

该控制方式可对性能要求不高的车辆单独使用。

3）、节气门开度调节是指改变节气门的闭合程度，它有两种方式:

一种是机械式调节，另一种是电子式调节。

机械式调节的节气门是在原节气门体的基础上，串联一个副节气门，由传动机构控制其开度，从而使其有效节气门开度获得调节;电子式调节的节气门是在微信息处理器控制下由电动伺服机构来操纵的，具体地说它是通过传感器感知驾驶员和TCS的控制信息，并将该信息送入ECU，ECU中有大量预编程序（如运算程序，优先发出TCS控制指令的控制逻辑等），经ECU处理后，发出控制电压，控制电压驱动作动电机，作动电机带动作动机构调节节气门开度。

节气门开度调节工作平稳，控制车辆方向性较好，易于与其他控制方式配合使用，但它响应较慢，不能保证后轮驱动车的稳定性，所以只有对操纵性和稳定性要求不太严格的前轮驱动车或四轮驱动车单独使用[23-26]。

发动机输出扭矩调节是应用最广泛的驱动控制方式，它对牵引性的改善并不显著，但对操纵性和稳定性的改善十分明显[27]。

这种控制方式主要应用在两侧驱动轮都发生过度滑转或在高速下只有一侧驱动轮发生过度滑转的工况下。

TCS的控制方式也是逻辑门限反馈控制，控制算法流程如下：

首先由传感器测得车辆的各车轮和发动机转速信号，并传递给计算模块。

此计算模块的的作用是通过公式得出驱动轮和非驱动轮轮速的差值，左右两个非驱动轮的差值和车轮最大角加速度值。

把这些得到的数值传递给逻辑判断控制模块控制，其中逻辑判断模块含有两个模式，分别是selecthigh和selectlow模式，这里又再细分两个工况加速和转向。

在不同的工况下，发动机采取不同的控制方式，逐渐增大或者减小输出转矩。

当车辆稳定，不满足TCS控制条件的时候，TCS停止控制。

车辆模型通过AMESim软件建立，控制算法部分用Simulink建模，然后二者可以进行联合仿真。

第四章空气悬架对整车平顺性能的影响：

（1）空气悬架为刚度可变的非线性悬架。

当簧载质量变化时，刚度随之变化以保持空载和满载时车身高度相同，悬架固有频率基本不变。

根据需要，可以选择不同的气囊工作高度，获得理想的固有频率，从而得到良好的行驶平顺性。

（2）空气悬架质量轻，弹簧刚度低，高速行驶时。

轮胎与地面的附着能力强，制动距离短；转向时，过多转向和不足转向倾向减小，转向稳定性强，提高了整车的操纵稳定性。

（3）空气弹簧内的空气压力直接反映了簧载质量，可取空气压力作为信号，控制制动缸内的气压，来控制制动时的制动力，更好地保证了行驶安全性。

（4）可通过给空气弹簧气囊充气或放气来调节车身高度。

在平坦的路面上，降低车身高度，保持空气阻力系数为最佳值，可以减小油耗或在功率不变的情况下获得最大车速。

在崎岖不平的道路上，为了通过障碍物，可以提高车身高度。

（5）减少整车的振动噪声，提高汽车零部件使用寿命。

汽车行驶时，路面受到汽车静载荷的同时，还受到来自车轮的冲击力，即动载荷。

车速越高，动载荷越大，高速行驶时，动载荷是静载荷的2-3倍。

在车轮垂直力、纵向力和侧向力的综合作用下，形成对路面的剪切力，使道路表面形成拥包、波浪，以至形成车辙。

汽车的吨位越大，对高速公路路面的破坏程度越严重。

因此，载重汽车已成为对高速公路破坏的主要原因之一。

装有空气悬架的车辆高速行驶时，悬架刚度低，车轮动载荷小，减轻了高速行驶车辆对路面的破坏。

第五章发动机起停平顺性研究

5.1发动机起动振动阶段的划分

发动机的起动振动可划分为几个阶段，如图所示：

A所示为起动初始到稳定拖动转速阶段，B所示为稳定拖动转速阶段，C所示为稳定拖动转速至着火怠速时的过渡阶段，D所示为着火后的怠速阶段。

1）A为起动初始到稳定拖动转速阶段，此阶段的振动主要有以下几部分组成：

发动机转动之前的振动，主要是由起动机自身的电磁振动和起动机齿轮与齿圈啮合撞击振动两部分组成；起动机拖动发动机过程中由于起动机驱动的反作用力和气泵压力产生的发动机振动。

2）B为稳定拖动转速阶段，此阶段的振动是由起动机驱动的反作用力和气泵压力产生的，成周期性变化。

3）C为稳定拖动转速至着火和怠速过渡阶段，起动机拖动转速以及喷油脉宽对此阶段的振动有一定影响

5.2发动机起停对平顺性影响总结

对影响发动机起停平顺性的几种因素：

活塞初始位置；起动温度；起动拖动转速；首循环喷射脉宽及进气阻隔进行研究，主要结论如下：

1.电动机拖动产生的泵气压力是引起发动机起动振动的强制力，电动机拖动时的泵气压力由进气门关闭时刻决定。

对于拖动开始的第一次压缩行程，泵气压力是随拖动前活塞位置而变化的，试验证明当活塞停止在进气门关闭之后并且接近上止点时振动会降低，在上止点前30°CA附近时起动振动最小，热机起动时的振动情况与冷机类似。

2.由仿真计算结果可知发动机冷却水温度对于气缸压力产生的阻力矩影响不大，主要影响摩擦阻力矩。

发动机冷起动时，最大阻力矩为126.82N·m，平均阻力矩为19.09N·m；发动机热起动时最大阻力矩为103.50N·m，平均阻力矩为6.65N·m。

故冷机起动时摩擦阻力矩变化大，发动机的输出扭矩和翻倒力矩大小时刻相等，方向相反。

摩擦阻力矩的变化导致翻倒力矩波动从而引起发动机支承振动，故在相同的活塞初始位置冷机起动振动比热机起动振动大。

3.拖动转速对起动振动有一定的影响，高速起动的拖动转速相比低速起动转速提高很多，扭矩波动减少，转速波动降低使得纵向惯性力减小，使得高速起动振动减小。

另外，由于高速起动的转速升高率大，在0.3s?

内就可以拖动发动机达到怠速转速（800r/min），可以快速地越过引起发动机共振的固有频率和直流电机在低速运转时的共振区，使得起动振动明显降低。

4.首循环喷射脉宽对起动振动的影响很大，试验表明首循环喷油脉宽在9ms以下没有明显着火，起动振动为电动机拖动振动。

在相同转速下，随着喷油脉宽的增加，振动幅值也随之增大。

在相同喷油量下随着转速升高着火延迟期延长，导致着火延迟期内的可燃混合物的数量增多，压力升高率和最高燃烧压力都有所增大，致使振动加剧。

5.对发动机停机振动原因进行分析，并通过试验研究了进气阻隔对停机时振动的影响。

进气阻隔可以增大振动阻尼，大大缩短衰减自由振动的时间，发动机越过共振带的时间会非常短，有效抑制共振。

第六章总结

人们对汽车的舒适性和操纵稳定性要求越来越高，低噪声、低振动总是人们所期望的.本文系统地阐述了多体系统动力学的基本理论和方法，同时对机械系统虚拟分析软件ADAMS的应用和计算方法进行了简要的介绍。

建立了整车多体系统动力学仿真模型，对整车操纵稳定性和平顺性的试验，以及影响因素的探索与思考，并且进行了整车操纵稳定性和行驶平顺性的仿真研究，为整车的后续研究与开发工作奠定了基础。

对车辆操纵稳定性和平顺性的研究，则人体生物动力学特性和建模的研究也是现在比较热门和值得研究的方向。

运用其研究成果可以有效的改善车辆内部结构以及各部件的动力学性能，提高整车的舒适性。

参考文献

[1]GB/T6323.4-94，汽车操纵稳定性试验方法转向回正性能试验[S].

[2].GB/T6323.2-94，汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验（转向盘转角阶跃输入）[S].

[3]GB/T6323.3-94，汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验（转向盘转

角脉冲输入）[S].

[4].余志生.汽车理论（第3版）[M].北京:

机械工业出版社，1990.

[5].GB/T6323.6一94，汽车操纵稳定性试验方法稳态回转试验[S].

[6].GB/T5902一86，汽车平顺性脉输入行驶试验方法[S].

[7].GB/T7031一86，车辆振动输入路面平度表示方法[S].

[8]MotokiShino,MasaoNagai.Yaw-momentcontrolofelectricforimprovinghandlingandstability[C].JSAEReview,22（2001）:

473-480.

[9]YoussefA.Ghoneim,WilliamC.lin,DavidM.Sidlosky,HsienH.Chen,Yuen-KwokChinandMichaelJ.Tedrake.Integratedchassiscontrolsystemtoenhancevehicle

stability.InternationalJournalofVehicleDesign[J],Vol.23.N1-2,2000:

124-144

[10].裴锦华汽车ESP控制系统研究[D].重庆：

重庆大学硕士学位论文，2005.

[11].CarESP（ElectronicStabilityProgram）Report,2006-2007[EB/OL].（2007-3-23）.

[12].NHTSA.PROPOSEDFMVSSNo.126ElectronicStabilityControlSystems[S].2006.8.

[13].StylishDynamicExclusiveExperiencetheDriveThatisBMW[EB/OL].[2008-3-25].

[14].YasujiMizutani,ChiakiHamada,AkiyoshiYamada,TakashiSatou.DevelopmentofNewBrakeControlSystemWithGearPumpModulator[C].SAE2004-01-0253。

[15].HeinrichHuchtkoetter,TheodorGassmann.Vehicledynamicsandtorquemanagement

devices[C].SAE2004-01-1058.

[16].PeterERieth,RalfSchwarz.ESCII–ESCWithActiveSteeringIntervention[C].SAE2004-01-0260.

[17].陈祯福.汽车底盘控制技术的现状和发展趋势[J].汽车工程,2006,28

（2）,105-113.

[18].李晔，汽车ESP控制策略及其硬件实现研究[D].福州：

东南大学[硕士学位论文]，2006.

[19].张长冲，ESP_汽车电子稳定系统仿真研究[D].济南：

山东大学硕士学位论文，2007.7.8

[20].MarcusNuessle,RuedigerRutz,MatthiasLeucht.ObjectiveTestMethodtoAssessActiveSafetyBenefitsofESP[EB/OL].MercedesCarGroup,[2008-3-25].

[21]..PapelisY.E,BrownT,WatsonG,HoltzD,PanW.NationalAdvancedDrivingSimulator.

UniversityofIowa[J],DocumentID:

N04-003-PR..

[22].RabeM.SymposiumAutomatisierungsandAssistenzsystemeforTransportmittel[EB/OL].VW-Research,Germany,（2004-2-17）[2008-3-26].

[23].宋大凤,李幼德,李静,等.汽车牵引力控制软件在环仿真研究[J].农业机械学报,2005,36（8）:

27-